大型塔式起重机起升调速方法对比分析

2014-12-04李明强侯清涛李鹏举王永新

建筑机械化 2014年12期

关键词：起重量滑轮组传动比

李明强，侯清涛，李鹏举，王永新

（山东电力建设第一工程公司，山东济南 2 5 0 1 3 1）

1 起升机构简介

为适应高层、超高层建筑及各类设备的安装需要，塔式起重机（以下简称塔机）必须具有较大的起升高度。在塔机吊装过程中，为提高工作效率，一般要求吊钩在轻载和空钩时能够快速升降，因此，起升机构必须具有一定的调速范围。

起升机构布置简图如图1所示。常用的起升机构各组成单元依次串联，少数起升机构的组成单元为并联，例如采用双电动机驱动。

图1 起升机构布置简图

2 调速方法分析

起升机构的传动简图和绕绳示意图如图2及图3所示。

由公式 n=int，nt=va/(πD)，va=av可知起升速

图2 起升机构传动简图

图3 绕绳示意图

度为

其中：n为电动机转速，i为减速机传动比，nt为卷筒转速，va为钢丝绳出卷筒速度，D为卷筒直径，a为滑轮组倍率。

一个完整的传动系统确定后，卷筒直径D是不变的，能够改变数值大小的是电动机转速n、减速机传动比i和滑轮组倍率a。因此，与之对应的调速方法有3种：电气调速、减速机调速和滑轮组变倍率调速。

2.1 电气调速

电气调速是通过改变电动机输出转速的方式来改变起升速度。电气调速的方法很多，根据电动机的工作原理，电气调速可分为两大类：直流电动机调速和交流电动机调速。

2.1.1 直流电动机调速

直流电动机的稳态转速公式

其中：n为电动机转速，U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢回路总电阻，Ke为电动势常数，∅为励磁磁通。

根据式(2)参数，直流电动机调速有3种方法：弱磁调速、调压调速和串阻调速。

2.1.2 交流电动机调速

交流电动机的稳态转速公式

其中：n为电动机转速，f为供电电源频率，p为电动机极对数，s为电动机的转差率。

因此，根据式(3)参数，交流电动机调速也有变频调速、变极调速和变转差率调速3种方法。

在塔机的起升调速中，直流调速最常用的是调压调速，交流调速最常用的是变频调速，这两种方法的特点是调速范围大，都能实现无级调速。

在额定转速以上进行变速时，电动机的输出转速不应过高，输出转速不能超过联轴器、减速机的许用转速。变频调速的情况下，在同等功率时，低频低转速下若需要输出大扭矩，电动机的机座号随之增加过大，成本造价相应提高。因此，大范围的电气调速只适合在中小功率的起升机构中应用，电动机输出转速可变化50倍；大功率的起升机构中电动机调速范围只有2倍左右。

2.2 减速机调速

减速机调速是通过改变减速机的传动比来改变起升速度，这类减速机有电磁换挡减速机、电液换挡变速箱等产品。

电磁换挡减速机靠电磁离合器换挡改变减速机的传动比，一般只设置两挡，不能带载变换离合器挡位。

电液换挡变速箱设置在电动机和减速机之间，通过电控液压操作使离合器换挡改变减速机的传动比，可设置多个挡位，并可以带载变换离合器挡位。

电液换挡变速箱优点是变速范围较大，但缺点是成本高、检修维护繁琐。

2.3 变倍率调速

变倍率调速是通过改变滑轮组倍率来改变起升速度。轻载高速时用小倍率，重载低速时用大倍率。变倍率调速根据操作方式分为手动换倍率和自动换倍率两类。

在通常塔机设备中，滑轮组倍率变化较少，一般在两种倍率之间变换，例如在1/2倍率、2/4倍率之间变换，其经济性好，但多数塔机需要人工换倍率，使得操作不便。

为保证机构传动的稳定性，减少振动，不宜使卷筒转速过大，即钢丝绳出卷筒的线速度不宜过高，当通过电气或者减速机调速方法使卷筒转速接近极限时，只能采用减小滑轮组倍率的方法来提高起升速度。

3 调速方法对比

电气调速、减速机调速和变倍率调速各有优缺点，根据需要应用在不同的场合。三类调速方法的对比见表1。

表1 三类调速方法的比较

电气调速可实现无级调速，变传动比和变倍率为定级调速，只有固定的传动比。仅采用电气调速，虽然能够实现无级调速，但大功率时的成本造价过高；只采用减速机调速，其传动比可选范围大，但换挡时冲击大；只采用变倍率调速，滑轮组倍率变化少，可选范围小，调速范围有限，且操作繁琐。

电气调速的最大优点是能实现无级调速，能使动载系数减小10%左右，启、制动平稳；减速机调速的最大优点是可变档位多，变速范围大；变倍率调速是终端调速手段，不受起重量和起升速度限制。电气调速是最基本调速手段，是高品质塔机的标准配置。

4 实例

某类型塔机，最大额定起重量100t，工作级别M 5，电动机功率132k W，卷筒卷绕6层，钢丝绳直径40mm；起升机构采用直流电动机调压、变速箱和2/4倍率变换共3种组合的综合调速方法，达到了大起重量、大起升速度和大起升高度的良好起升性能的目的。

在全磁场状态下，调节电枢电压，可使电动机从额定转速向下变速，最大速度可达90m/m in。为得到额定转速以上的速度，当电枢全电压之后，弱磁升速，其速度可超过90m/m in，但此时对应的起重量较小，实际使用意义不大。其详细性能参数见表2。

表2 起升性能参数表

由表2可知，若采用单一的调速手段，无法实现大范围的稳定调速：不采用电气调速，无法实现稳定的无级调速；不采用变速箱调速，仅有一种挡位，同时仅对应一种额定起重量（在50t、24t、9t和3t中选其一）；不采用变倍率调速，无法吊载100t（50t和100t中选其一），但是，常见起升机构中通常仅采用了其中两种调速方法组合，即电气调速与减速机调速，或者电气调速与变倍率调速相结合，要保证大起重量、大起升速度和大起升高度，需同时采用3种方式进行组合才能达到目的。